JP5549230B2 - 測距装置、測距用モジュール及びこれを用いた撮像装置 - Google Patents

Description

この発明は、経時変化や温度変化に起因する測定誤差を解消して装置本体から測距対象までの距離を安定して測定できる複眼式の測距装置、測距用モジュール及びこれを用いた撮像装置に関するものである。

従来から、測距装置には、同一の測距光学系の光軸を互いに平行に配置し、各測距光学系により得られた測距対象としての被写体の画像を比較し、同一被写体に対する画像のずれ(視差)を検出して、装置本体から被写体までの距離を計測するステレオ式（複眼式）のものが知られている。

図９は、この種の測距装置の測距光学系による距離計測の基本原理を示す説明図であって、この種のステレオ式の測距装置では三角測量法に基づき被写体までの距離測定を行っている。

その図９において、１は被写体、２は測距装置、符号Ａ’は被写体１から測距装置２までの距離（より厳密には、被写体１から後述する測距用レンズの主点までの距離）である。測距装置２は、第１測距光学系３と第２測距光学系４とからなる。

第１測距光学系３は、測距用レンズ３Ａと測距用受像素子３Ｂとから概略なり、第２測距光学系４は、測距用レンズ４Ａと測距用受像素子４Ｂとからなる。その第１測距光学系３と第２測距光学系４とは、固定台（ステージ）５に固定して配設される。
その測距用受像素子３Ｂ、４Ｂは図１０に示すように、所定ピッチ間隔で縦に配置された多数の画素からなる。

その第１測距光学系３の光軸Ｏ１とその第２測距光学系４の光軸Ｏ２とは互いに平行とされ、光軸Ｏ１と光軸Ｏ２との距離を基線長といい、この図９においては、この基線長が符号Ｄで示されている。

ここで、被写体１をこの測距装置２を用いて測距する場合、すなわち、被写体１を第１測距光学系３、第２測距光学系４を用いて撮像する場合を考える。

被写体１からの像形成光束Ｐ１は、第１測距光学系３の測距用レンズ３Ａを通して、測距用受像素子３Ｂの受像画素３Ｃに結像する。被写体１からの像形成光束Ｐ２は、第２測距光学系４の測距用レンズ４Ａを通して、測距用受像素子４Ｂの受像画素４Ｃに結像する。その受像画素３Ｃ、４Ｃに結像された画像は光電変換されて、次段の測距用演算回路に入力される。

被写体１の同一点１Ａは、視差が存在するために、測距用受像素子３Ｂにおける受像画素３Ｃと測距用受像素子４Ｂにおける受像画素４Ｃとの受像位置が異なる。その視差は光軸Ｏ１、Ｏ２を含む平面内で両光軸Ｏ１、Ｏ２に対する垂直方向のずれとして生じる。

ここで、両測距用レンズ３Ａ、４Ａの焦点距離をｆとし、距離Ａ’が測距用レンズ３Ａ、４Ａの焦点距離ｆよりも非常に大きく、数学的に、Ａ’≫ｆの関係があるときには下記の[数１]の関係式が成り立つ。

[数１]
Ａ’＝Ｄ×（ｆ/Δ）

基線長Ｄ、及び両測距用レンズ３Ａ、４Ａの焦点距離ｆは既知であるので、上記[数１]の関係式から、視差Δを求めれば、被写体１から測距装置２までの距離Ａ’を算出できる。

視差Δは、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、 受像画素３Ｃ、４Ｃの位置を演算により求めることによって得られる。その図１０（ａ）、図１０（ｂ）において、○印はそれぞれ、その受像画素３Ｃ、４Ｃの位置に結像された被写体１の同一点の画像を示している。なお、測距用受像素子４Bにおける破線のまる印は、測距用受像素子３Bに形成された被写体の画像を仮想的に示している。
視差Δは、測距用受像素子３Ｂの画素の中心Ｏから受像画素３Ｃまでの横方向のずれ量ΔＹ１と、測距用受像素子４Ｂの画素の中心Ｏから受像画素４Ｃまでの横方向のずれ量ΔＹ２との和として求められる。

このように、2つの画像の視差Δから距離Ａ’を算出する方式が三角測量方式である。
しかしながら、2つの測距光学系３、４による三角測量では各種の誤差要因により、視差Δを正確に求めることが困難である。

例えば、両測距用レンズ３A、４Aの光軸Ｏ１、Ｏ２が平行でない場合、視差Δに誤差が含まれる。
また、両測距用受像素子３Ｂ、４Ｂの画素が互いに平行ではなく傾いていたり、測距用受像素子３Ｂ、４Ｂの画素の中心Ｏの間隔が所定間隔からずれていたりする場合にも、視差Δに誤差が含まれる。

更に、誤差要因として一番大きなものには、測距用レンズ３Ａ（４Ａ）と受像素子３Ｂ（４Ｂ）の位置ずれ、すなわち、測距用レンズ３Ａの光軸Ｏ１（測距用レンズ４Ａの光軸のＯ２）と測距用受像素子３Ｂの画素の中心Ｏ（測距用受像素子４Ｂの画素の中心Ｏ）との位置ずれがある。

その理由は、測距用レンズ３Ａ（測距用レンズ４Ａ）がシフトすると、その光軸Ｏ１（光軸Ｏ２）がこのシフト量と同一量だけシフトするため、測距用受像素子３Ｂ（測距用受像素子４Ｂ）がシフトしないものとすると、測距用レンズ３Ａ（４Ａ）のシフト量がそのまま視差Δの誤差となって現れるからである。

これらの誤差要因を完全に取り除くことは、現実的には非常に困難である。
また、一時的に誤差要因を取り除くだけでは不十分で、長期的な環境変動である経時変化や周囲温度の変化に対しても取り除く必要がある。

例えば、特許文献１には、周囲温度の変化に対して影響されずに高精度に測距できる技術が開示されている。
これは、測距装置２を低コスト化するために、測距用レンズ３Ａ、４Ａにプラスティックレンズを用いた場合、温度変化によってプラスティックが膨張し、基線長Ｄや測距用レンズ３Ａ、４Ａの位置が変化して、測距誤差が大きくなるため、測距用レンズ３Ａ、４Ａそれ自体が膨張したとしても、光軸Ｏ１、Ｏ２の間隔、すなわち、基線長Ｄが変化しないように、対策したものである。

また、特許文献２には、周囲温度の変化によって発生する測距誤差を温度センサで補正すると同時に急速な温度変化に対してタイマを用いて補正する方法が開示されている。タイマを用いて補正することにしたのは、温度センサのみによる補正のみでは、急速な温度変化に対応できないからである。

ところで、特許文献1に開示の技術は、板バネで測距用レンズを押さえる構成であるため、部品点数が増える。また、各測距用レンズ３Ａ、４Ａを調整する必要があるため、組み立て工程が増え、コストがアップする。

一方、特許文献2に開示の技術は、温度センサを用いて測距用レンズの温度膨張による基線長Ｄの変化を補正しているが、温度センサのみでは、基線長Ｄの変化を補正しきれないためタイマを併用している。
このようなセンサやタイマを設けて補正することにすると、センサやタイマの他、そのセンサを制御する制御回路等が必要になり、特許文献１と同様に、部品点数が増え、コストがアップする。

温度変化による誤差は、測距用受像素子３Ｂ、４ＢはＳｉ系材料でできていて温度上昇による膨張が小さいのに対して、測距用レンズ３Ａ、４Ａがプラスティック材料により製作されているため、その温度上昇による膨張が大きいことに起因する。

このため、測距用レンズ３Ａ、４Ａと測距用受像素子３Ｂ、４Ｂとの位置ずれが大きく発生する。例えば、測距用レンズ３Ａ、４Ａの光軸Ｏ１とＯ２との基線長Ｄを５mm、測距用レンズ３Ａ、４Ａの中心から被写体１までの距離を5ｍ、測距用レンズ３Ａ、４Ａの焦点距離ｆを５mmとすると、
[数１]から視差Δは、
[数2]
Δ＝Ｄ・ｆ/Ａ＝５μmとなる。
すなわち、この測距装置２では、５μmの視差Δがあるときに、距離Ａを5ｍと認識する。

一方、プラスティックレンズの線膨張係数αが６×10^-5であるとすると、温度変化Δtが10℃あった場合、
[数3]Ｄ×α×Δｔ＝3μm
となり、視差が３μm増えたことと同等になる。この結果、温度変化が10℃あると同じ距離5ｍを測距しても60％(=3μm/5μm)もの大きな測距誤差が発生することになる。

本発明は、以上の課題解決を行うため、周辺温度のいかなる変化に対しても極力安定な距離測定ができる測距装置、測距用モジュール及びこれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の測距装置は、互いに光軸が平行な一対の測距用レンズを有して各測距用レンズによりそれぞれ被写体像を撮像領域に形成するレンズアレイ部材と、前記一対の測距用レンズにより前記撮像領域にそれぞれ被写体像が形成されるように各測距用レンズからの像形成光束をそれぞれ反射する反射面が形成された一対の反射部材を有するミラーアレイ部材と、前記一対の反射部材のうちの一方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第１反射面と前記一対の反射部材のうちの他方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第２反射面とを有する中間ミラー部材と、を備え、
前記中間ミラー部材は前記一対の反射部材の間に介在され、
前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが一体に形成され、
前記一対の測距用レンズの温度変化による基線長の変化を前記一対の反射部材の間隔が変化することにより相殺することを特徴とする。

請求項２に記載の測距装置は、前記レンズアレイ部材は第一の平板部を有し、該第一の平板部に前記一対の測距用レンズが形成され、前記ミラーアレイ部材は第二の平板部を有し、該第二の平板部に前記一対の反射部材が形成され、前記第一の平板部と前記第二の平板部とが一体に形成されていることを特徴とする。
請求項３に記載の測距装置は、互いに光軸が平行な一対の測距用レンズを有して各測距用レンズによりそれぞれ被写体像を撮像領域に形成するレンズアレイ部材と、
前記一対の測距用レンズにより前記撮像領域にそれぞれ被写体像が形成されるように各測距用レンズからの像形成光束をそれぞれ反射する反射面が形成された一対の反射部材を有するミラーアレイ部材と、
前記一対の反射部材のうちの一方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第１反射面と前記一対の反射部材のうちの他方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第２反射面とを有する中間ミラー部材と、を備え、
前記中間ミラー部材は前記一対の反射部材の間に介在され、
前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが略同一の線膨張係数を有する材料又は同一の材料により形成され、
前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが別体に形成され、
前記一対の測距用レンズの温度変化による基線長の変化を前記一対の反射部材の間隔が変化することにより相殺することを特徴とする。
請求項４に記載の測距装置は、前記中間ミラー部材が前記ミラーアレイ部材と別体に形成されていることを特徴とする。

請求項５に記載の測距装置は、前記レンズアレイ部材の材料と前記ミラーアレイ部材の材料がプラスチックであることを特徴とする。
請求項６に記載の測距装置は、前記撮像領域がウエハ基板に一体に形成され、前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが前記ウエハ基板と一体化されていることを特徴とする。
請求項７に記載の測距装置は、前記各反射部材の反射面及び中間ミラー部材の反射面が光軸に対して略45°の角度で傾斜していることを特徴とする。

請求項８に記載の測距用モジュールは、互いに光軸が平行な一対の測距用レンズを有して各測距用レンズによりそれぞれ被写体像を撮像領域に形成するレンズアレイ部材と、前記一対の測距用レンズにより前記撮像領域にそれぞれ被写体像が形成されるように各測距用レンズからの像形成光束をそれぞれ反射する反射面が形成された一対の反射部材を有するミラーアレイ部材と、前記一対の反射部材のうちの一方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第１反射面と前記一対の反射部材のうちの他方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第２反射面とを有する中間ミラー部材と、を備え、前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが一体に形成され、前記撮像領域がウエハ基板に一体に形成され、前記中間ミラー部材は前記一対の反射部材の間に介在されかつ前記ミラーアレイ部材と別体に形成されていることを特徴とする。

請求項９に記載の撮像装置は、請求項1〜請求項７のいずれか１項に記載の測距装置又は請求項８に記載の測距用モジュールが搭載されていることを特徴とする。
請求項１０に記載の撮像装置は、前記測距装置により得られた被写体までの距離の近傍を走査して被写体までの合焦位置を検出するオートフォーカス手段を有することを特徴とする。

本発明の測距装置によれば、温度上昇によって測距用レンズが膨張しても、反射部材の反射面もそれに対応して同じ分だけ動くので、温度膨張による測距誤差を相殺することができ、初期調整のみで高い距離測定精度が得られるという効果を奏する。

図１は本発明の実施の形態における測距装置の構成概略図である。 図２は温度変化時の被写体像位置ずれの相殺効果の説明図である。 図３は温度変化により発生する測距誤差の説明図である。 図４は図３に示す撮像領域に形成された被写体像の説明図である。 図５はレンズアレイ部材とミラーアレイ部材とが同じ材料又は線膨張率（線膨張係数）が略同一の材料で形成され、かつ、レンズアレイ部材とミラーアレイ部材とが別体に形成されている測距装置の説明図である。 図６(a）は反射部材の反射面が測距用レンズの傾斜角度が光軸に対して45°の場合の入反射光束の説明図である。 図６（b）は反射部材の反射面が測距用レンズの光軸に対して６０°の角度で傾斜している場合の入反射光束の説明図である。 図７はレンズアレイ部材とミラーアレイ部材と中間ミラー部材との三者を一体化した場合の不具合を説明するための説明図である。 図８は本発明の測距装置を搭載した撮像装置のブロック回路図である。 図９は従来のステレオカメラによる三角測量の原理を説明するための説明図である。 図１０は従来のステレオカメラによる視差検出方法の説明図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。
図１は本発明の測距装置の光学系の構成図を示している。
図１において、１１はレンズアレイ部材、１２はミラーアレイ部材、１３は回路基板、１４は中間ミラー部材である。レンズアレイ部材１１は平板部１１’を有し、この平板部１１’には、互いに光軸Ｏ１、Ｏ２が平行な一対の測距用レンズ１１a、１１ｂが一体に形成されている。この測距用レンズ１１a、１１ｂはその光軸Ｏ１、Ｏ２の間隔が基線長Ｄとされている。

ミラーアレイ部材１２は平板部１２’を有し、平板部１２’には一対の反射部材１２a、１２ｂが一体形成されている。反射部材１２aは測距用レンズ１１aに対応する反射面１２ｃを有し、反射部材１２ｂは測距用レンズ１１ｂに対応する反射面１２ｄを有する。

そのレンズアレイ部材１１とミラーアレイ部材１２とは、プラスチックス材料から形成され、例えば、そのプラスチックス材料の線膨張係数αは６×10^-5である。
その反射面１２ｃ、１２ｄは、ここでは、光軸Ｏ１、Ｏ２に対する傾斜角度が４５度である。その理由については後述する。

そのレンズアレイ部材１１の平板部１１’とミラーアレイ部材１２の平板部１２’とは、例えば、接着剤により一体化されている。中間ミラー部材１４は、その平板部１２’と別体に形成され、一対の反射部材１２a、１２ｂの間に介在されている。この中間ミラー部材１４は、ここでは、プラスチック材料により形成されているが、プラスチックス材料の線膨張係数αよりも小さい線膨張係数のシリコン系材料により形成されていても良い。その中間ミラー部材１４は、第１反射面１４aと第２反射面１４ｂとを有する。なお、中間ミラー部材１４を別体に形成した理由は後述する。

この発明の実施の形態では、そのレンズアレイ部材１１の平板部１１’とミラーアレイ部材の平板部１２’とを接着剤により一体化する構成として説明するが、これに限るものではなく、金型を用いて射出成形装置等によって、レンズアレイ部材１１とミラーアレイ部材１２とを一括して成形すれば、精度の良いレンズ−ミラー組立体を容易に製作できる。

その第１反射面１４a、第２反射面１４ｂの傾斜角度も光軸Ｏ１、Ｏ２に対する傾斜角度が４５度であるのが望ましい。撮像素子１６は、シリコン系材料から構成されているので、その線膨張係数はプラスチックス材料の線膨張係数αに較べてはるかに小さい。

測距用レンズ１１aによる像形成光束P１は、一対の反射部材１２a、１２ｂのうちの一方の反射面１２ｃにより反射されて、中間ミラー部材１４の第１反射面１４aにより反射され、後述する構成の撮像素子１６の撮像領域１６aに導かれ、その撮像領域１６aに被写体像が形成される。

測距用レンズ１１ｂによる像形成光束P２は、一対の反射部材１２a、１２ｂのうちの他方の反射面１２ｄにより反射されて、中間ミラー部材１４の第２反射面１４ｂにより反射され、撮像素子１６の撮像領域１６ｂに導かれ、その撮像領域１６ｂに被写体像が形成される。

回路基板１３には、同一の半導体ウエハ１５上にＣＭＯＳ、ＣＣＤ等の撮像素子１６が形成されている。この撮像素子１６は半導体プロセスによって形成される。この撮像素子１６はマトリックス状に配設された画素からなる矩形状の撮像領域１６a、１６ｂ（図４参照）を有する。

その半導体ウエハ１５は、マスク（図示を略す）を用いてパターニングが行われている。ここでは、撮像領域１６ａ、１６ｂの画素マトリックスが平行であるようなパターンをもつマスク（図示を略す）を用いる。

半導体ウェハ１５の表面は平面であるため、２つの撮像領域１６ａ、１６ｂの法線N１、N1は必然的に平行となる。従って、２つの被写体像を比較する際に、従来は必要であった角度ずれ補正は不要である。また、一つの撮像素子１６を実装すれば足りるので、部品点数の削減と実装工程の簡略化ができる。

ここで、その撮像領域１６a、１６ｂは一定間隔δを開けて設けられている。このように、撮像領域１６a、１６ｂを離間して設けた理由は、撮像領域１６aと撮像領域１６ｂとの間に遮光壁を設けることなく、一方の撮像領域１６a（１６ｂ）に入射する像形成光束P１（P２）が他方の撮像領域１６ｂ（１６a）に混入するのを防止するためである。

回路基板１３には、測距用演算回路、デジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）を含む回路が設けられている。これにより、２つの撮像領域１６a、１６ｂ上の画素マトリックスで検知された画像信号を比較して、被写体までの距離情報が得られる。
そのレンズアレイ部材１１とミラーアレイ部材１２と回路基板１３と中間ミラー部材１４と半導体ウエハ１５とは一体化されて、測距用モジュール１７が形成される。

次に、レンズアレイ部材１１とミラーアレイ部材１２とを一体化した効果について図2、図３を参照しつつ説明する。
ここで、図２、図３において、光軸Ｏ１、Ｏ２に沿う方向をＺ軸とし、Ｚ軸に直交し、光軸Ｏ１と光軸Ｏ２とを結ぶ方向をＹ軸とし、Ｚ軸とY軸との両方に直交する方向をX軸とすると、測距用レンズ１１ａ、１１ｂはＸＹ平面上に存在し、Ｙ軸上に両レンズ１１a、１１ｂの中心Ｏが位置することになり、この場合、視差Δが発生する方向はＹ軸方向となる。

図２はレンズアレイ部材１１とミラーアレイ部材１２とが温度変化により膨張した状態を破線で示している。レンズアレイ部材１１が温度上昇により膨張すると、測距用レンズ１１a、１１ｂの光軸Ｏ１、Ｏ２が破線で示すように、その基線長Ｄが大きくなる方向に変化する。

これに伴って、ミラーアレイ部材１２もそのレンズアレイ部材１１が膨張したと同じ分だけ膨張し、反射面１２ｃ、１２ｄの間隔が、基線長Ｄが大きくなる方向に変化した分だけ大きくなる。

すなわち、温度上昇により、反射面１２ｃ、１２ｄに対して、光軸O１、O２が位置ずれを起こした分だけ、反射面１２ｃ、１２ｄの間隔がその光軸O１、O２の位置ずれを相殺する方向に変化するため、反射光軸O１’、O２’の位置は変化せず、従って、被写体像は図２に示すように温度変化に拘わらず、撮像領域１６a、１６ｂの同じ箇所に形成されることになる。
なお、中間ミラー部材１４がプラスチックス材料で形成されている場合、この中間ミラー部材１４も膨張するが、基線長Dに対して間隔δが小さいので、中間ミラー部材１４の温度変化による中間ミラー部材１４の膨張は実質的に無視できる。
従って、レンズアレイ部材１１とミラーアレイ部材１２とを同一のプラスチックス材料により形成し、これらを一体化した場合には、温度変化によって生じる測距誤差は解消され、初期調整のみで精度の高い距離測定が得られる。

これに対して、反射部材１２a、１２ｂ、中間ミラー部材１４を共にシリコン系の材料により形成すると、図３に示すように、温度上昇によって、測距用レンズ１１a、１１ｂの光軸Ｏ１、Ｏ２が破線で示すように、その基線長Ｄが大きくなる方向に変化したとしても、反射部材１２a、１２ｂは線膨張係数が小さいために、その反射面１２ｃ、１２ｄの間隔がほとんど変化しない。

このため、その反射光軸O１’、O２’の位置がずれ、その結果、図４に示すように被写体像Pｑ１、Pｑ２（反射光軸O１’、O２’）は、温度変化によって、撮像領域１６a、１６ｂ上で、温度変化前の像形成箇所Pｔ１、Pｔ２とは異なる像形成箇所ｐｔ１’、ｐｔ２’にそれぞれ形成されることになり、温度変化による誤差が視差Δとして生じることになる。

ここでは、レンズアレイ部材１１とミラーアレイ部材１２とを一体化した場合について説明したが、レンズアレイ部材１１とミラーアレイ部材１２とを同一のプラスチックス材料により形成しかつ大きさも同じ場合には、図５に示すように、レンズアレイ部材１１が膨張した分だけ、ミラーアレー部材１２も膨張するので、温度上昇により、反射面１２ｃ、１２ｄに対して、光軸O１、O２の位置ずれを起こした分だけ、反射面１２ｃ、１２ｄの間隔がその光軸O１、O２の位置ずれを相殺する方向に変化するため、反射光軸O１’、O２’の位置は変化せず、従って、被写体像は図５に示すように温度変化に拘わらず、撮像領域１６a、１６ｂの同じ箇所に形成される。

なお、レンズアレイ部材１１とミラーアレイ部材１２とを同一のプラスチックス材料により形成しなくとも、線膨張率がほぼ同一の材料で形成することにより、温度変化による位置ずれを相殺できる。

本発明は、温度変化により生じる測距用レンズ１１a、１１ｂの位置ずれを原因とした撮像素子１６に導かれる被写体像の位置ずれを、温度変化により反射面１２ｃ、１２ｄが同じ量の位置ずれを起こすことにより相殺することがポイントである。
したがって、既述したように、反射面１２ｃ、１２ｄは測距用レンズの光軸O１、O２に対して45°傾斜していることが望ましい。

例えば、図６（a）に示すように、測距用レンズ１１aの光軸O１に対して反射面１２ｃの傾斜が45°の場合には、測距用レンズ１１aが膨張により位置ずれを起こしたとしても、その位置ずれ量と、反射部材１２aの反射面１２ｃのずれ量が等しいために、反射光軸O１’の位置ずれが相殺され、撮像領域１６aに導かれる被写体像の位置ずれを完全に相殺することができる。

しかし、図６（ｂ）に示すように、測距用レンズ１１aの光軸O１に対して反射面１２ｃが45°でない場合、測距用レンズ１１aの位置ずれ量と反射面１２ｃのずれ量とが異なることになるので、反射光軸O１’が温度変化によりずれ、撮像領域１６aに導かれる被写体像の位置ずれを完全には相殺することができない。従って、反射面１２ｃ、１２ｄの光軸O１、O２に対する傾斜角度は、略４５度であるのが望ましい。

中間ミラー部材１４とミラーアレイ部材１２とを一体化して形成しても良いが、中間ミラー部材１４はミラーアレイ部材１２とは、極力、別体に形成することが望ましい。
中間ミラー部材１４をプラスチックス材料で構成し、図７に示すように、中間ミラー部材１４とミラーアレイ部材１２とを一体化して形成すると、レンズアレイ部材１１とミラーアレイ部材１２とを一体化することによって相殺された被写体像の位置ずれが中間ミラー部材1４の膨張によって再度位置ずれが発生することがあるからである。

これは、中間ミラー部材１４の反射面１４a、１４ｂが温度によって膨張して、Ｙ軸方向にシフトしたり、反射面１４aと反射面１４ｂとの角度が変化することによって起こり得る。

次に本発明の実施例に係る測距装置を撮像装置に適用した実施例を図８を参照しつつ説明する。
その図８において、１９は撮像装置としてのデジタルカメラである。デジタルカメラ１９は、電源２０、被写体２１を撮像する撮影光学系２２、撮像手段２３、プロセッサ２４、測距装置２５、制御手段２６、第１オートフォーカス手段２７、フォーカス駆動手段２８を有する。

撮像手段２３は撮影光学系２２により撮像された被写体像を像形成信号に変換してプロセッサ２４と第１オートフォーカス手段２７とに向けて出力する。
プロセッサ２４は撮像手段２３からの像形成信号に所定の処理を行って、図示を略すモニターに出力する。測距装置２５は被写体２１までの距離を三角測距の原理に基づき測定する。

制御手段２６は測距装置２５の測距結果に基づいて後述する制御を行い、第１オートフォーカス手段２７は撮像手段２３の像形成信号に基づき後述する制御を行う。
フォーカス駆動手段２８は撮影光学系２２の一部を光軸方向に移動させて撮像手段２３に形成される被写体像のピント状態を変化させる。

第１オートフォーカス手段２７は、フォーカス駆動手段２８を制御してピント状態を順次変化させつつ、各ピント状態ごとに得られた像形成信号を逐次評価し、この評価値に基づいて所定のピント状態を得る。
制御手段２６は、測距装置２５によって得られた距離に対応するピント状態の近傍のピント範囲で評価を行うように第１オートフォーカス手段２７を制御する。

測距装置２５は、既述したように、レンズアレイ部材１１の測距用レンズ１１a、１１ｂ、ミラーアレイ部材１２の反射部材１２a、１２ｂ、中間ミラー部材１４、撮像素子１６、回路基板１３に搭載された測距用演算回路（図示を略す）を有し、デジタルカメラ１９から被写体２１までの距離を測定する。

従来方式の第１オートフォーカス手段２７は、撮影光学系２２のフォーカスレンズ群を可動させてズーム全域を走査範囲として移動させつつ、各フォーカスレンズ群の各レンズ位置における被写体像のコントラストを算出し、全域走査後に最大のコントラストが得られる位置を最適ピント状態の位置すなわち最適焦点位置（合焦位置）として決定している。

この方法は、コントラストＡＦ方式又は山登りＡＦ方式と呼ばれ、実際に被写体像を見ながらフォーカス合わせを行うため、高精度で正確なフォーカス検出を行うことができる。
しかし、その反面、全域走査後に最適ピント位置（合焦位置）を求めるため、合焦するまでに時間がかかるという欠点がある。とりわけ、高倍率のズーム機能を持つデジタルカメラ１９においてはフォーカスが合焦するまでに時間がかかる。

そこで、制御手段２６は、測距装置２５によって得られた被写体２１までの距離に対応するフォーカスレンズ群のレンズ位置Ａを算出し、そのレンズ位置を中心として±ΔＢの走査範囲（Ａ−ΔＢ〜Ａ＋ΔＢ）を近傍のピント範囲に設定し、この近傍のピント範囲を走査範囲とするように、第１オートフォーカス手段２７を制御する。すなわち、制御手段２６は、距離に対応するレンズ位置を含む近傍が合焦検出の走査範囲となるように第１フォーカス手段２７を制御する。

これにより、フォーカスが合うまでの時間が短縮され、かつ正確なフォーカス合わせも実現する。もちろん、測距装置２５の測距情報だけでフォーカスレンズ群を可動させ、コントラストＡＦを行わずにフォーカス合わせを行っても良い。

本発明の測距装置２５では、プラスティックレンズを用いて低コスト化が図れると同時に、温度センサを設けなくても周辺温度の変化に関わらず正確に被写体２１の距離情報を算出できる。
具体的には温度変化に伴う測距用レンズ１１a、１１ｂの膨張と反射部材１２a、１２ｂの位置ずれが相殺するように配置することで周辺温度にかかわらず正確な視差Δ及び距離A’を求めることが可能となる。

このように、本発明の測距装置２５を用いた撮像装置１９によれば、周辺温度を測るためのセンサが必要ないため、低コスト化を図れると同時に高速で高精度にフォーカス合わせを行うことができ、シャッターチャンスを逃すことなく画像を取り込むことができる。

本発明の測距装置は、車載用測距装置やビデオカメラの測距装置、携帯機器搭載用カメラや3次元デジタルカメラや監視用カメラ等の用途に応用することが可能である。

１１ レンズアレイ部材
１１ａ、１１ｂ 測距用レンズ
１２ ミラーアレイ部材
１２ａ、１２ｂ 反射部材
１４ 中間ミラー部材
１６ 撮像素子
１６ａ、１６ｂ 撮像領域

特許第３０９００７８号 特許第４２２６９３６号

Claims (10)

1. 互いに光軸が平行な一対の測距用レンズを有して各測距用レンズによりそれぞれ被写体像を撮像領域に形成するレンズアレイ部材と、
   前記一対の測距用レンズにより前記撮像領域にそれぞれ被写体像が形成されるように各測距用レンズからの像形成光束をそれぞれ反射する反射面が形成された一対の反射部材を有するミラーアレイ部材と、
   前記一対の反射部材のうちの一方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第１反射面と前記一対の反射部材のうちの他方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第２反射面とを有する中間ミラー部材と、を備え、
   前記中間ミラー部材は前記一対の反射部材の間に介在され、
   前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが一体に形成され、
   前記一対の測距用レンズの温度変化による基線長の変化を前記一対の反射部材の間隔が変化することにより相殺することを特徴とする測距装置。
2. 前記レンズアレイ部材は第一の平板部を有し、該第一の平板部に前記一対の測距用レンズが形成され、
   前記ミラーアレイ部材は第二の平板部を有し、該第二の平板部に前記一対の反射部材が形成され、
   前記第一の平板部と前記第二の平板部とが一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
3. 互いに光軸が平行な一対の測距用レンズを有して各測距用レンズによりそれぞれ被写体像を撮像領域に形成するレンズアレイ部材と、
   前記一対の測距用レンズにより前記撮像領域にそれぞれ被写体像が形成されるように各測距用レンズからの像形成光束をそれぞれ反射する反射面が形成された一対の反射部材を有するミラーアレイ部材と、
   前記一対の反射部材のうちの一方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第１反射面と前記一対の反射部材のうちの他方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第２反射面とを有する中間ミラー部材と、を備え、
   前記中間ミラー部材は前記一対の反射部材の間に介在され、
   前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが略同一の線膨張係数を有する材料又は同一の材料により形成され、
   前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが別体に形成され、
   前記一対の測距用レンズの温度変化による基線長の変化を前記一対の反射部材の間隔が変化することにより相殺することを特徴とする測距装置。
4. 前記中間ミラー部材が前記ミラーアレイ部材と別体に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の測距装置。
5. 前記レンズアレイ部材の材料と前記ミラーアレイ部材の材料がプラスチックであることを特徴とする請求項３に記載の測距装置。
6. 前記撮像領域がウエハ基板に一体に形成され、前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが前記ウエハ基板と一体化されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の測距装置。
7. 前記各反射部材の反射面及び中間ミラー部材の反射面が光軸に対して略45°の角度で傾斜していることを特徴とする請求項1ないし請求項６のいずれか１項に記載の測距装置。
8. 互いに光軸が平行な一対の測距用レンズを有して各測距用レンズによりそれぞれ被写体像を撮像領域に形成するレンズアレイ部材と、
   前記一対の測距用レンズにより前記撮像領域にそれぞれ被写体像が形成されるように各測距用レンズからの像形成光束をそれぞれ反射する反射面が形成された一対の反射部材を有するミラーアレイ部材と、
   前記一対の反射部材のうちの一方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第１反射面と前記一対の反射部材のうちの他方の反射部材の反射面により反射された像形成光束を前記撮像領域に向けて反射する第２反射面とを有する中間ミラー部材と、を備え、
   前記レンズアレイ部材と前記ミラーアレイ部材とが一体に形成され、
   前記撮像領域がウエハ基板に一体に形成され、
   前記中間ミラー部材は前記一対の反射部材の間に介在されかつ前記ミラーアレイ部材と別体に形成されていることを特徴とする測距用モジュール。
9. 請求項1〜請求項７のいずれか１項に記載の測距装置又は請求項８に記載の測距用モジュールが搭載されていることを特徴とする撮像装置。
10. 前記測距装置により得られた被写体までの距離の近傍を走査して被写体までの合焦位置を検出するオートフォーカス手段を有することを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。

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